【摘要】：風能是一種可再生清潔能源,以其獨特的優(yōu)勢最先得到歐美國家的重視和發(fā)展,風電開發(fā)技術(shù)日趨成熟。我國作為能源消耗大國,雖然在風電領(lǐng)域起步較晚,但近些年來發(fā)展迅速,裝機容量已位居世界第一。目前在運行中的風電塔(風力發(fā)電塔)出現(xiàn)了多起事故,造成了重大經(jīng)濟損失,結(jié)構(gòu)失效是導致風電塔倒塌的重要因素。由于風電塔處于振動環(huán)境中,法蘭緊固螺栓容易出現(xiàn)松動,導致其疲勞壽命降低,甚至發(fā)生斷裂,因此正常工作中的風電塔出現(xiàn)了倒塌事故。國內(nèi)外學者對風電塔進行建模分析時,常常忽略連接各節(jié)塔筒的法蘭,因此無法考慮法蘭螺栓松動的問題。本文以位于甘肅某地風電場的2MW風電塔為研究對象,結(jié)合環(huán)境脈動測試數(shù)據(jù),以數(shù)值分析的方式對法蘭螺栓松動問題進行研究,建立考慮法蘭螺栓的風電塔整體模型,分析螺栓松動對結(jié)構(gòu)靜力和動力響應(yīng)的影響,為評估風電塔法蘭螺栓松動提供參考。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)根據(jù)已有的現(xiàn)場三座風電塔環(huán)境脈動測試數(shù)據(jù),經(jīng)過譜分析得到了風電塔的前2階固有頻率和阻尼比,比較風電塔維修前后的固有頻率和阻尼。結(jié)果顯示,1階固有頻率和阻尼比對法蘭螺栓松動不敏感。(2)建立了法蘭局部構(gòu)件的三維體單元模型,分析了不同螺栓預(yù)緊力作用下,法蘭局部構(gòu)件軸向荷載與位移的關(guān)系和法蘭螺栓等效應(yīng)力與軸向荷載的關(guān)系。結(jié)果顯示,預(yù)緊力可以減小法蘭間隙寬度,增強法蘭抗拉剛度。預(yù)緊力損失后,螺栓的疲勞壽命急劇減小,沒有預(yù)緊力的法蘭局部構(gòu)件表現(xiàn)出拉壓雙線性。(3)在法蘭局部構(gòu)件的力學本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上,采用非線性彈簧模擬法蘭局部構(gòu)件,基于纖維模型的思想,建立了法蘭整體模型,并和塔筒組成風電塔整體的彈簧-梁模型。討論了風荷載的計算方法,基于葉素動量理論計算風輪軸向推力,采用通用風壓公式計算塔筒上的風荷載。結(jié)合現(xiàn)場法蘭螺栓松動調(diào)查情況,采用松動比例η和螺母轉(zhuǎn)角θ分別量化螺栓的松動數(shù)量和松緊程度。應(yīng)用風電塔整體模型,分析了法蘭螺栓松動對塔頂位移和法蘭間隙寬度的影響。當螺母轉(zhuǎn)角θ-60o,松動比例η10%時,塔頂位移和法蘭間隙寬度對螺栓松動比較敏感。(4)應(yīng)用風電塔整體模型和無法蘭整體模型分別進行模態(tài)分析,得到前6階振型和固有頻率。分析了法蘭螺栓松動對風電塔固有頻率的影響,根據(jù)環(huán)境脈動測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果得到瑞利阻尼參數(shù),對風電塔遭受短時陣風作用進行了瞬時動力分析,研究了螺栓松動對風電塔結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性的影響,分析了結(jié)構(gòu)阻尼對其動力特性的影響。結(jié)果顯示,當螺母轉(zhuǎn)角θ0o時,風電塔固有頻率變化顯著;法蘭螺栓松動導致塔頂位移幅值增大,現(xiàn)場測試的風電塔的結(jié)構(gòu)阻尼改變對其動力特性影響較小。
【學位授予單位】：中國地震局工程力學研究所
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM614
【圖文】：

中國地震局工程力學研究所碩士學位論文，基礎(chǔ)開裂，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌事故。2010 年 1 月，山西某塌，事故原因是法蘭低溫沖擊韌性遠達不到國際標準，施工時要求。2010 年 2 月，寧夏某風電場風電塔發(fā)生倒塌事故，事屏蔽，造成機組超速運轉(zhuǎn)，引發(fā)火災(zāi)，塔筒發(fā)生共振倒塌。20西偏關(guān)某風電場項目 14 號風電塔倒塌，事故原因是振動值嚴重開裂（北極星風力發(fā)電網(wǎng)，2016）。2017 年大唐新疆淖毛湖風風電塔倒塌事故，風電塔從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，

艙支撐塔筒上方所有裝置和附屬部件，內(nèi)部安裝有傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等，保護主要設(shè)備免受風沙或雨水的直接侵害。中、大型風力機的機艙通常橫梁為主，輔以肋板、腹板等焊接而成。筒是風電塔的主體支撐結(jié)構(gòu)，與基礎(chǔ)直接相連，承受塔頂機艙和風輪的重力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種荷載，并傳遞至基礎(chǔ)。常見的鋼制塔筒由多節(jié)，各節(jié)塔筒之間通過法蘭螺栓連接；底部塔筒與鋼筋混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋件螺使得風電塔嵌固在地面上；上部塔筒與機艙通過回轉(zhuǎn)體（轉(zhuǎn)盤）連接，使夠回轉(zhuǎn)至迎風面工作。礎(chǔ)將上部荷載均勻傳遞到地面上，陸上風電塔最常見的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)底板、棱臺及墩臺組成，依靠基礎(chǔ)及回填土自重抵抗較大的，見圖 1-4。優(yōu)點是施工簡便，基礎(chǔ)與上部塔筒的連接通過埋入式塔筒實現(xiàn)準化（馬躍強 等，2009）。其他陸上風電塔基礎(chǔ)有肋梁基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖礎(chǔ)以及預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)等，海上風電塔一般采用樁基礎(chǔ)，單樁或多樁基礎(chǔ)

艙支撐塔筒上方所有裝置和附屬部件，內(nèi)部安裝有傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等，保護主要設(shè)備免受風沙或雨水的直接侵害。中、大型風力機的機艙通常橫梁為主，輔以肋板、腹板等焊接而成。筒是風電塔的主體支撐結(jié)構(gòu)，與基礎(chǔ)直接相連，承受塔頂機艙和風輪的重力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種荷載，并傳遞至基礎(chǔ)。常見的鋼制塔筒由多節(jié)，各節(jié)塔筒之間通過法蘭螺栓連接；底部塔筒與鋼筋混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋件螺使得風電塔嵌固在地面上；上部塔筒與機艙通過回轉(zhuǎn)體（轉(zhuǎn)盤）連接，使夠回轉(zhuǎn)至迎風面工作。礎(chǔ)將上部荷載均勻傳遞到地面上，陸上風電塔最常見的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)底板、棱臺及墩臺組成，依靠基礎(chǔ)及回填土自重抵抗較大的，見圖 1-4。優(yōu)點是施工簡便，基礎(chǔ)與上部塔筒的連接通過埋入式塔筒實現(xiàn)準化（馬躍強 等，2009）。其他陸上風電塔基礎(chǔ)有肋梁基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖礎(chǔ)以及預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)等，海上風電塔一般采用樁基礎(chǔ)，單樁或多樁基礎(chǔ)

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本文編號：2789332